源码追踪—-内核挂载文件系统的流程

背景

一个文件系统，只有挂载到内存中目录树下的一个目录，进程才能访问这个文件系统。

启动流程

我们都知道，系统的启动流程中
先加载uboot，负责硬件的基本初始化；
然后设置env，这里的env是全局env，在kernel/rootfs加载过程中都能使用；
加载内核到内存中，跳转到内核的入口
最后挂载根文件系统

mount命令需要的参数

mount -t fstype [-o optation] dev_name filedir

        所以，mount 需要知道挂载的文件系统类型，挂载参数，挂载目录，我们的目标是去获取mount所需要的所有参数。
        这里会引出一个问题，挂载，必须要有目录才能进行，加载内核后，没挂载根文件系统之前，哪里来的目录去挂载根文件系统呢?
        这里引出一个新概念，隐藏的根文件系统，即，内核启动时，自行创建/使用ramdiskfs的文件系统。

ramdisk

目录
以t3代码为例，ramdisk目录如下

        

        目录已经在上一步解决了，接下来看挂载参数包括对元数据的处理, fstype怎么来？

fstype
        常用的嵌入式 文件系统类型包括ext4、ubifs、yaffs2等，每种文件系统类型都各有优缺点，ext4介绍请查看培训内容《存储介质和文件系统.pptx》
        制作文件系统时，使用特定的制作工具，将做好的文件系统目录，打包制作成对应的格式，这是编译阶段就做好的。其实在加载的时候，内核会一个个文件系统类型尝试挂载，直到遍历完毕或成功挂载，后面追踪源码的时候会说明。

dev_name
        dev_name是文件系统镜像所在的分区，在挂载的时候怎么获取，总不能也一个个分区去遍历把。 这里其实是可以通过env分区获取，前面介绍env是整个开机流程都可以获取的。

        到这一步，挂载点有了，挂载参数有了，挂载真实的根文件系统，任务下放给1号进程，开机结束。

开始源码分析

总结上面，挂载分为三个大步骤

  参数解析      

        在加载内核的时候，执行了bootcmd。在bootcmd中，会将一些变量设置为环境变量。（详情查看《uboot环境变量》《uboot启动流程》两个章节）

挂载隐藏根文件系统

开始介绍挂载隐藏根文件系统

  虚拟文件系统

        上图，包括7个函数，其中四个函数为虚拟文件系统的四大数据对象（详情查看虚拟文件系统章节），分别是初始化目录项、索引节点、文件、超级块。除了这四个之外还有初始化最大文件句柄数，也就是每个进程可以打开的最多的文件数。一般默认是1024，可以通过ulimit指令查看

    

初始化挂载点和初始化块设备缓存

这里详细追踪一下初始化挂载点，其实就是构建一个挂载树

        第4行，创建高速缓存，用于存储struct mount结构体类型的对象。struct mount描述挂载点，包含了挂载点的路径、挂载的文件系统类型、挂载的文件系统对象等。
        第5行，指向哈希表的指针，用于存储挂载点的信息。
        第6行，指向哈希表的指针，用于存储挂载点路径饿对应的struct mount对象的指针。
        第8行，初始化kernfs文件系统。kernfs用于向内核提供对象的信息和控制接口，通常挂载在/sys目录下的kernfs子目录中，可以通过此目录下的文件来获取或修改内核对象的信息和属性。
        第9行，初始化sysfs文件系统，用于向用户空间提供内核对象的信息和控制接口。通过挂载在/sys目录下。在rootfs之前，说明此时sysfs可以使用
        第10行，初始化共享内存系统（shmemfs），用于向用户空间提供共享内存。通常挂载在/dev/shm目录下。
        第11行，初始化隐藏的的rootfs。
        第12行，初始化文件系统的挂载点和超级块。

这里举例 sysfs 向内核注册一个sysfs文件系统类型

在继续深入追踪，

init_rootfs

        我们一共做了哪些操作，初始化虚拟文件系统（查看2 虚拟文件系统的数据结构章节）的四个对象，超级块、索引节点、目录项、文件；然后注册并挂载了与内核交互的sysfs、kernelfs、shemfs，并且初始化了rootfs。到了这一步，我们所需要的挂载树基本构建完成，。

总结：

注册并挂载sysfs tmpfs rootfs，构建出mount tree，为rootfs创建super_block，root dentry，root inode并填充super_block，为后续其他文件系统的挂载提供基础

还差最后一步，挂载点，需要把这个隐藏文件系统挂载起来

初始化挂载点

挂载，需要一个挂载点还需要配置工作所需要的环境，比如命名空间，会话，工作目录，最顶级的父进程
1、挂载一个名为rootfs的文件系统
2、创建一个命名空间（命名空间，用来隔离资源）
3、根据挂载点获取到真实挂载点（真是挂载点，是指整个系统中的挂载点，而不是当前挂载的文件系统中的挂载点）
4、配置真实挂载点的命名空间
5、设置0号线程的命名空间
6、设置文件系统路径
7、把0号线程的当前工作目录，设置为rootfs文件系统的根目录
8、把0号线程的根目录，设置为roofs文件系统的根目录


到这一步，虚拟文件系统其实已经构建完毕了，接下来是真实存在的，镜像中rootfs分区中的文件系统的挂载




继续

挂载真实文件系统

        根文件系统挂载流程如下图所示，拆分亮哥步骤，第一个是挂载，第二个是启动1号进程
挂载又分为两种，一种是启用randisk，一种是不启用ramdisk

        rest_init函数启用了一个内核线程kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
内核线程负责初始化内存管理、进程调度、文件系统，在初始文件系统时，会自动调用rootfs_initcall函数
        先介绍启用ramdisk的流程，rootfs_initcall(populate_rootfs)会将cpio包给解压到对应的内存上。
        如果没启用ramdisk，rootfs_initcall(default_rootfs);这里只是创建了/dev/ /root两个目录和/dev/console 一个文件。

        接下来为console创建标准输入、标准输出、标准错误文件描述符，也就是0 1 2。到这里，就可以通过console口对设备进行交互了


        第三步，准备根文件系统，如果是ramdisk，它已经具备了事前准备的所有工作，开始执行根文件系统中的init进程，也就是ramdisk中的init进程

到此，ramdisk方式的根文件系统挂载结束


对于非ramdisk方式，
1、探测块设备是否准备完毕（确保设备已经注册到设备模型中，并可以进行后续的操作）
2、如果存在节点是/dev/mtdxxx，说明存储设备是flash，执行mount_block_root函数，函数中会查找系统中支持的所有格式的文件系统，并一个个尝试挂载，直到挂载成功或遍历完成。
3、如果是emmc，则执行mount_root，这里创建块设备文件/dev/root，然后执行mount_block_root把根文件系统挂载到目录/root下
4、挂载devtmpfs文件系统
5、把当前工作目录移动到文件系统的根目录
6、跟文件系统重新挂载到根目录下
7、把1号线程的根目录设置为根文件系统的根目录
到此，根文件系统挂载完成

        最后一步，执行根文件系统的1号进程，init。这里可能是systemd sysvinit upstart(查看章节3 systemd)


结束

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